§ 1.4. Показатели многокаскадных усилителей

В зависимости от назначения усилителя заданный коэффициент усиления может достигать десятков тысяч. Коэффициент усиления, значение которого превышает , обычно получают, составляя усилитель из нескольких простейших усилителей, содержащих один усилительный элемент. Такие простейшие усилители называются усилительными каскадами. Они соединяются между собой последовательно таким образом, чтобы выходной сигнал предыдущего каскада являлся входным сигналом последующего. Поэтому усилитель, состоящий, например, из двух каскадов, можно представить в виде эквивалентной схемы на рис. 1.8.

В этом случае коэффициенты усиления по напряжению первого и второго каскадов

Тогда коэффициент усиления всего усилителя

Очевидно, для усилителя, составленного из каскадов, имеем

Часто коэффициент усиления представляют в логарифмических единицах — децибелах.

Коэффициент усиления по мощности, выраженный в децибелах,

Поскольку мощность пропорциональна квадрату напряжения,

Рис. 1.8.

Представление коэффициента усиления в децибелах позволяет находить общий коэффициент усиления усилителя простым алгебраическим суммированием коэффициентов усиления отдельных каскадов. Так, для - каскадного усилителя можно записать

или

В таблице 1.1 для сравнения представлены некоторые значения коэффициентов усиления, выраженные в отвлеченных числах, и соответствующие им значения коэффициентов усиления, выраженных в децибелах.

Таблица 1 1.

Из таблицы видно, что увеличение в 10 раз соответствует увеличению , выраженному в децибелах, на 20 дБ, а удвоение — увеличению на 6 дБ.

Частотные искажения многокаскадного усилителя определяются частотными искажениями в отдельных каскадах.

Действительно, коэффициент частотных искажений каскадного усилителя можно записать как

Учитывая, что коэффициенты частотных искажений отдельных каскадов равны,

будем иметь

Таким образом, коэффициент частотных искажений многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов частотных искажений отдельных каскадов.

Если коэффициенты частотных искажений выразить в децибелах, то для - каскадного усилителя получим

Из формул (1.23) и (1.24) следует, что к отдельным каскадам усилителя по частотным искажениям предъявляются более жесткие требования, чем к усилителю в целом, так как коэффициент частотных искажений отдельного каскада всегда меньше коэффициента частотных искажений усилителя.

Требуемое значение общего коэффициента частотных искажений М определяется назначением усилителя. Например, при усилении акустических сигналов значение коэффициента М не , что соответствует 3 дБ. Для измерительных усилителей коэффициент частотных искажений определяется заданной точностью измерений.

Определим фазовый сдвиг между выходным и входным напряжениями - каскадного усилителя, записав комплексный коэффициент усиления по напряжению в виде

где — фазовые сдвиги между выходным и входным напряжениями отдельных каскадов усилителя.

Следовательно,

т. е. фазовый сдвиг между выходным и входным напряжениями Многокаскадного усилителя равен алгебраической сумме фазовых сдвигов, создаваемых отдельными каскадами.

Нелинейные искажения синусоидального сигнала в многокаскадных усилителях, характеризуемые коэффициентом гармоник, можно оценить просуммировав коэффициенты гармоник каждого отдельного каскада усилителя, т. е.

(1.26)

Как показано выше, нелинейные искажения появляются при превышении амплитудой входного сигнала значения , начиная с которого амплитудная характеристика теряет свою линейность (см. рис. 1.6). Следовательно, нелинейные искажения будут наибольшими в последнем, выходном, каскаде усилителя. Ориентировочно можно считать, что коэффициент гармоник n-каскадного усилителя равен коэффициенту гармоник последнего каскада, т. е.

Для исключения влияния цепей постоянного тока отдельных каскадов друг на друга, т. е. обеспечения развязки каскадов по постоянному току, в усилителях переменного сигнала используют разделительный конденсатор или трансформатор.

С помощью трансформатора можно обеспечить не только развязку, но и согласование каскадов между собой. Поэтому трансформаторную связь удобно применять в усилителях мощности, где согласование усилителя с нагрузкой и источником входного сигнала является необходимым условием. В усилителях напряжения, как правило, используется RC-связь, так как трансформатор имеет существенные недостатки, главными из которых являются большие габариты и вес, а также высокая стоимость.

В усилителях постоянного тока каскады соединяются непосредственно друг с другом. При этом усложняется задача обеспечения нормальной работы усилительных элементов (транзисторов) в заданном режиме.

В аналоговых интегральных микросхемах (ИМС) усилителей как постоянного, так и переменного тока используется, как правило, непосредственная связь между каскадами, так как реализация конденсаторов большой емкости и трансформаторов в микроэлектронном исполнении весьма затруднительна.

Каскады, из которых состоит многокаскадный усилитель, разделяют на каскады предварительного усиления и оконечные (выходные) каскады. Такое разделение обусловлено различными требованиями, предъявляемыми к ним. Основное назначение каскадов предварительного усиления — обеспечение максимального коэффициента усиления по напряжению при минимальных нелинейных искажениях. Назначение выходного каскада — усиление мощности. В выходном каскаде для получения высокого КПД полностью используются рабочие диапазоны токов и напряжений усилительного элемента, поэтому неизбежно появляются нелинейные искажения.

Ясно, что они не должны превышать заданного разработчиком предельного значения.

Каскады предварительного усиления, в свою очередь, разделяют на входной и промежуточные каскады. Основное требование к входному каскаду — обеспечение условия максимальной передачи напряжения от источника сигнала к усилителю Одно из главных требований, предъявляемых к промежуточным каскадам, — обеспечение коэффициента усиления по напряжению, при котором можно получить на выходе усилителя заданное значение выходной мощности.